A1. JVM 内存区域

【概述】

在这篇笔记中，需要描述虚拟机中的内存是如何划分的，哪部分区域、什么样的代码和操作可能导致内存溢出异常。虽然 Java 有垃圾处理机制，但是如果生产环境在出现内存溢出异常时，由于开发人员不熟悉 Java 垃圾处理机制，导致无法定位和解决问题，则可能引起较为严重的生产问题。在后续的学习中，将学习 Java 垃圾处理机制为了避免内存溢出异常的出现都做了哪些努力。

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【Q】： 1. JVM 的内存是如何划分的？

【A】： Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中，会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java 虚拟机规范（Java SE 7 版）》的规定，Java 虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：程序计数器、Java 虚拟机栈、本地方法栈、Java 堆、方法区。

1). 程序计数器（Program Counter Register）：是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型中，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

　　由于 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

　　如果线程正在执行的是一个 Java 方法， 这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是 Native 方法，这个计数器值则为空 （Undefined）。此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规范任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

2). Java 虚拟机栈（JVM Stack）：与程序计数器一样， Java 虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直到执行完成，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈到出栈的过程。

　　经常有人把 Java 内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这里的“堆内存” 指的是 Java 堆，“栈内存” 指的是 Java 虚拟机栈，或者说指 Java 虚拟机栈中的局部变量表。

　　局部变量表存在了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。

　　其中 64 位长度的 long 和 double 类型的数据占用 2 个局部变量空间 （Slot），其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

　　在 Java 虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的 Java 虚拟机都可动态扩展，只不过 Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够的内存，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

3). 本地方法栈（Native Method Stack）：与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法(也就是字节码) 服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

4). Java 堆（Java Heap）：对于大多数应用来说，Java 堆是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆时被所有线程共享的一块内存区域，是虚拟机启动时创建的。此内存区域的唯一目的就是存在对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在 Java 虚拟机规范中的描述是： 所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。

　　Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做 “GC 堆”（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以 Java 堆还可以细分为： 新生代和老年代；再细致一点的有 Eden 空间、Survivor From 空间、Survivor To 空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的 Java 堆可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

　　根据 Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过 -Xmx 和 -Xms 控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

5). 方法区（Method Area）： 于堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 “Non-Heap”（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。内存分配时所说的 “永久代”指的就是方法区。

　　Java 虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和 Java 堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾回收。相对而言，垃圾收集行为在这区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样 “永久”存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的回收 “成绩” 比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。在 Sun 公司的 BUG 列表中，曾出现过的若干严重的BUG就是由于低版本的 HotSpot 虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄露。

　　根据 Java 虚拟机规范，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

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【Q】： 2. 其他值得注意的内存区域？

【A】： 主要包括 运行时常量区 和 直接内存。

1). 运行时常量区（Runtime Constant Pool）：是方法区的一部分。 Class 文件中除了有类型的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

　　Java 虚拟机对于 Class 文件每一部分（包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才能被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量池，Java 虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域。不过，一般来说免除了保存 Class 文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

　　运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另一个重要特征就是具备动态性， Java 语言并不要求常量一定只有编译器才能产生，也就是并非预置入 Class  文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是 String 类的 intern() 方法。

　　既然运行时常量池是方法区中的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时，会抛出 OurOfMemoryError 异常。

2). 直接内存（Direct Memory）：直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是 Java 虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现。

　　在 JDK 1.4 中加入了 NIO（New Input/Ouput）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的 I/O 方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆 和 Native 堆中来回复制数据。

　　显然，本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存（包括 RAM 以及 SWAP 区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置 -Xmx 等信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。